无线电基础知识课件

无无线电定位的基本知定位的基本知识2012年年3月月30日日无线电定位的基本知识2012年3月30日定位是指确定目定位是指确定目标在某一参考坐在某一参考坐标系中的位置。系中的位置。目前，常采用的定位方法有目前，常采用的定位方法有3种，即推算定位种，即推算定位（Dead Reckoning,DR）、接近式定位）、接近式定位（Proximity）和无）和无线电定位（定位（Radio Location）。）。推算定位推算定位是基于一个相是基于一个相对参考点或起始点，借助参考点或起始点，借助地地图匹配等技匹配等技术确定确定移确定确定移动目目标位置，适用于位置，适用于对运运动目目标的的连续定位。定位。接近式接近式 定位定位又称信又称信标定位，它是通定位，它是通过最近的固定参考最近的固定参考检测点来确定运点来确定运动目目标位置。位置。无无线电定位定位是利用接收机的无是利用接收机的无线电信号的信号的电参量参量获取定位参量，并采用适当的定位取定位参量，并采用适当的定位算法算法计算出目算出目标的位置。的位置。定位是指确定目标在某一参考坐标系中的位置。目前，常采用的定位无无线电定位可分定位可分为陆基无基无线电定位定位星基无星基无线电定位定位（1）星基无）星基无线电定位是利用定位是利用GPS、GLONASS等等卫星系星系统的多个的多个卫星星发射的信号射的信号实现目目标的三的三维定定位。位。（2）陆基无基无线电定位定位则是利用安装在地面的无是利用安装在地面的无线电信信标或接受或接受设备，通，通过测量无量无线电信号的信号的传播播时间、时间差、信号差、信号场强、相位、或入射角等、相位、或入射角等参数来参数来实现目目标的定位。的定位。无线电定位可分为陆基无线电定位星基无线电定位（1）星基无线电根据用途不同，根据用途不同，陆基无基无线电定位可分定位可分为：陆基无基无线电导航定位航定位蜂蜂窝网无网无线电定位定位无无线电导航定位是通航定位是通过无无线电信号参量所信号参量所测得到得到的几何、物理参量来确定用的几何、物理参量来确定用户的方位、距离、位的方位、距离、位置、姿置、姿态等。其中方位、距离、姿等。其中方位、距离、姿态等等导航参量航参量可以可以较直接地由无直接地由无线电参量参量测量得到，而用量得到，而用户的的位置参量位置参量则需要需要较复复杂的的导航解算，主要有两种航解算，主要有两种方法：通方法：通过测量的几何参量和几何位置之量的几何参量和几何位置之间的数的数学关心学关心进行定位，通常称行定位，通常称为位置位置线法；通法；通过测量量的物理参量（如速度、加速度等）与几何位置之的物理参量（如速度、加速度等）与几何位置之间的运的运动学关系确定位置，称学关系确定位置，称为推航定位法。推航定位法。根据用途不同，陆基无线电定位可分为：陆基无线电导航定位蜂窝网在蜂在蜂窝网网络中中对移移动台的定位有两台的定位有两类：基于移基于移动台的定位和基于网台的定位和基于网络的定位的定位 前者是由移前者是由移动台根据接收到多个台根据接收到多个发射台的射台的信号特征信息确定其与各信号特征信息确定其与各发射台之射台之间的几何位的几何位置关系，在置关系，在对其自身位置其自身位置进行定位估行定位估计，GPS系系统、罗兰系系统属于属于这一一类。后者后者则由多个基站接收机同由多个基站接收机同时检测移移动台台发射的信号，根据信号的特征信息由蜂射的信号，根据信号的特征信息由蜂窝网网络对移移动台台进行定位估行定位估计。在蜂窝网络中对移动台的定位有两类：一一 无无线电定位通常需要两步：定位通常需要两步：第一步根据不同的定位第一步根据不同的定位类型，估型，估计相相应的定的定位参数。位参数。第二步根据估第二步根据估计出的定位参数，采用相出的定位参数，采用相应定定位算法估位算法估计目目标的位置。的位置。二二 根据采用的定位参量（或位置根据采用的定位参量（或位置线）不同，）不同，又可分又可分为：1）测距定位（距定位（圆位置位置线定位）定位）2）测距差定位（双曲距差定位（双曲线位置位置线定位）定位）3）测距和定位（距和定位（椭圆位置位置线定位）定位）4）测角定位（直角定位（直线位置位置线定位）定位）5）混合定位（混合位置）混合定位（混合位置线定位）定位）一 无线电定位通常需要两步：无无线电定位定位无无线电定位的定位的过程就是通程就是通过无无线电波的波的发射与接收，射与接收，测量目量目标的方向、的方向、距离、距离差、高度等定位参量，距离、距离差、高度等定位参量，实现位置坐位置坐标求解的求解的过程程。常用无常用无线电定位系定位系统的的结构构图如下：如下：无线电定位无线电定位的过程就是通过无线电波的发射与接收，测量发射台射台辐射无射无线电信号信号接收机接收接收机接收处理理位置位置1位置位置2位置位置n目目 标 位位 置置电波波传播播电参量参量（A,W,T）电位参量位参量（,R,R,H）.位置已知位置已知发射台射台位置已知位置已知发射台射台位置已知位置已知发射台射台发射台辐射无线电信号接收机接收处理位置1位置2位置n目 标首先，由一个或多个地理位置精确的已知首先，由一个或多个地理位置精确的已知的的发射台射台发射无射无线电信号，信号，这个无个无线电信信号的号的电参量（如振幅参量（如振幅A，频率率w，相位，相位，时间t）中的一个或多个携）中的一个或多个携带着定位参数信着定位参数信息，息，经过电波波传播到达接收机；播到达接收机；其次，接收机接收和其次，接收机接收和处理理该无无线电信号，信号，并根据并根据电波波传播特性，有播特性，有电参量得到定位参量得到定位参量（如来波方向参量（如来波方向，距离，距离R，距离差，距离差R，高度高度H）；）；首先，由一个或多个地理位置精确的已知的发射台发射无线电信号，再次，根据得到的定位参量及位置已知再次，根据得到的定位参量及位置已知的的发射台，射台，获得多条相得多条相对于个于个发射台的射台的位置位置线（或位置面）；（或位置面）；最后，有多条位置最后，有多条位置线（或位置面）采用（或位置面）采用相相应的定位算法，得到的定位算法，得到对目目标位置的估位置的估计。再次，根据得到的定位参量及位置已知的发射台，获得多条相对于个采用无采用无线电信号定位的依据信号定位的依据无无线电波具有以下波具有以下传播特性播特性:（1）无）无线电波在理想均匀媒波在理想均匀媒质中，按直中，按直线 （或最短路径）（或最短路径）传播播（2）无）无线电波波经电离离层反射后，入射波和反射后，入射波和 反射波在同一反射波在同一铅垂面垂面（3）无）无线电波在波在传播路径中，若遇不播路径中，若遇不连续 煤煤质时产生反射生反射（4）在理想均匀媒）在理想均匀媒质中，无中，无线电波波传播速播速 度度为常数常数采用无线电信号定位的依据*根据（根据（1）（）（2）两个特性，可以）两个特性，可以测定无定无线电波的波的传播方向，从而确定目播方向，从而确定目标相相对发射台射台的方向的方向*根据（根据（1）（）（4）两个特性，可以）两个特性，可以测定无定无线电波在波在发射台和目射台和目标之之间的的传播播时间，从而，从而确定目确定目标到到发射台的斜距（如射台的斜距（如测定定电波由两波由两个个发射台到目射台到目标的的时间差，差，则可确定目可确定目标到到这两个两个发射台的距离差）射台的距离差）*特性（特性（3）是雷达定位的基）是雷达定位的基础，正是，正是这个特个特性才能通性才能通过无无线电波波发现并确定目并确定目标相相对于于雷达站的位置雷达站的位置*根据（1）（2）两个特性，可以测定无线电波的传播方向，从而基于超声波定位基于超声波定位 超声波定位系超声波定位系统可用于一定范可用于一定范围的无接触的无接触定位，定位精度可达定位，定位精度可达1cm。由于超声波的。由于超声波的传播受播受环境影响境影响较大，故不推荐在室外使用。在大，故不推荐在室外使用。在实际应用中根据用中根据环境和具体要求其境和具体要求其应用用电路可作适当改路可作适当改进。超声波定位的原理与无超声波定位的原理与无线电定位系定位系统相仿，只是相仿，只是由于超声波在空气中的衰减由于超声波在空气中的衰减较大，只适用于大，只适用于较小小的范的范围。超声波在空气中的。超声波在空气中的传播距离一般只有几播距离一般只有几十米。短距离的超声波十米。短距离的超声波测距系距系统已已经在在实际中中应用，用，测距精度距精度为厘米厘米级。超声波定位系。超声波定位系统可用于可用于无人无人车间等等场所中的移所中的移动物体定位物体定位。基于超声波定位 超声波定位系超声波定位系统在具体在具体实现上与无上与无线电定位有所不同。不同定位有所不同。不同发射点的无射点的无线电信号可以信号可以用不同的用不同的频率来区分，而超声波系率来区分，而超声波系统难以做到，以做到，因此必因此必须有一种能有一种能够把各个把各个发射点的超声波信射点的超声波信号区分开来的方法。我号区分开来的方法。我们采用采用带地址地址编码的无的无线电触触发电路分路分别触触发各个各个发射点。射点。特点：超声波速度慢，定位精度高，水下特点：超声波速度慢，定位精度高，水下传播是它的最大播是它的最大优势。超声波定位系统在具体实现上与无线电定位有所不同。GPS一一 定义：全球定位系统定义：全球定位系统GPSGPS（Global Global Positioning SystemPositioning System）,是一种可以授时和测是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。度和时间信息。二二 GPSGPS定位系统由定位系统由GPSGPS卫星空间部分、地面控卫星空间部分、地面控制部分和用户制部分和用户GPSGPS接收机三部分组成。接收机三部分组成。GPS二 GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分1、空、空间部分部分由由21颗工作工作卫星和星和3颗备用用卫星。星。截止2004年3月为止，在轨卫星共29颗，星号为111，13 18，2031。目前，GPS星座已真正实现全球覆盖，不再有盲区，全天24小时任何时间都能精密定位。2、地面控制部分、地面控制部分1 1个主控站个主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科罗拉多科罗拉多.斯平士斯平士)。3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群岛阿森松群岛)、Diego Diego Garcia(Garcia(迭哥伽西亚迭哥伽西亚)、kwajalein(kwajalein(卡瓦加兰卡瓦加兰)。5 5个监控站：个监控站：以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷)。1、空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星。截止2004年3、用、用户接收机部分接收机部分uGPSGPS接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机的基本类型分导航型和大地型。u大地型接收机又分单频型和双频型。大地型接收机又分单频型和双频型。三三 GPS定位方法分定位方法分类 若按用若按用户接收机天接收机天线在在测量中所量中所处的状的状态来分，来分，可分可分为静静态定位和定位和动态定位；若按定位的定位；若按定位的结果果来分，可分来分，可分为绝对定位和相定位和相对定位。定位。3、用户接收机部分GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。三（1 1）绝对）绝对/单点定位单点定位(point positioning)(point positioning)确定观测点在确定观测点在WGS-84WGS-84系中的坐标，即绝对位置。系中的坐标，即绝对位置。（2 2）相对定位）相对定位(relative positioning)(relative positioning)确确定确定同步跟踪相同的定确定同步跟踪相同的GPSGPS卫星信号的若干台接卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（坐标差）的定位方法。收机之间的相对位置（坐标差）的定位方法。静静态定位定位，即在定位，即在定位过程中，接收机天程中，接收机天线（观测站）的位置相站）的位置相对于周于周围地面点而言，地面点而言，处于静于静止状止状态；动态定位定位则正好相反，即在定位正好相反，即在定位过程中，接收程中，接收机天机天线处于运于运动状状态，定位，定位结果是果是连续变化的。化的。（1）绝对/单点定位(point positioning)四、四、GPS 定位原理定位原理 1、绝对定位原理定位原理 利用 GPS 进行绝对定位的基本原理为：以 GPS 卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量 为基础，并根据卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS），以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。设接收机天线的相位中心坐标为（X,Y,Z），则有：卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS）可根据导航电文获得，所以式中只有 X、Y、Z 三个未知量，只要同时接收 3 颗 GPS 卫星，就能解出测站点坐标（X,Y,Z）。可以看出，GPS 单点定位的实质就是空间距离的后方交会。GPS 绝对定位图 四、GPS 定位原理 2、相、相对定位原理定位原理GPS 相对定位，亦称差分 GPS 定位，是目前 GPS 定位中精度最高的一种定位方法。其基本定位原理为：如图 所示，用两台 GPS 用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的 GPS 卫星，以确定基线端点（测站点）在 WGS-84 坐标系中的相对位置或向量。GPS 相对定位图 2、相对定位原理GPS 相对定位图 目前在工程中，广泛目前在工程中，广泛应用的是相用的是相对定位模式。定位模式。其后其后处理定位方法有：静理定位方法有：静态定位和定位和动态定位定位1、静、静态相相对定位定位 将几台 GPS 接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测 4 颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。用途：用途：是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。精度：精度：可达到（5mm+1ppm）目前在工程中，广泛应用的是相对定位模式。其后 2、动态相相对定位定位 先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第 1 点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过 15km。用途：用途：适用于精度要求不高的碎部测量。精度：精度：可达到（10-20mm+1ppm）2、动态相对定位 Thank You !Thank You !